微量潤滑磨削懸浮微粒分布特性研究*

賈東洲 李長河 王 勝 張 強

(青島理工大學機械工程學院，山東 青島 266033)

傳統(tǒng)的澆注式潤滑切削液的使用量非常大，美國每年消耗的切削液是1 億加侖，相當于710 億日元，在日本花費大約為420 億日元。切削液的成本占總生產(chǎn)成本的16%，在加工難加工材料時甚至達到了20%～30%，遠高于刀具成本，占總生產(chǎn)成本的2%～4%［1］。切削液中的添加劑對環(huán)境的污染也是多方面的，極壓劑是海水污染物之一，而防銹劑中的磷酸鹽會使湖泊、河流及海洋出現(xiàn)富營養(yǎng)化，出現(xiàn)藍藻和赤潮［2］。

在機械加工過程中由于高壓和高溫會使切削液蒸發(fā)和霧化，從而形成切削液薄霧。切削液氣溶膠對工人健康的影響不僅僅局限于肺病，也會增加患食道癌、胃癌、胰腺癌、前列腺癌、結腸癌和直腸癌的風險。

為了達到環(huán)保的要求及對工人健康的保證，在減少甚至是消除切削液的使用。做了大量的探索工作。一些學者對干式切削進行了深入的探索，發(fā)現(xiàn)干式切削只在特定工況下能取得較為理想的效果，在大多數(shù)加工工況下，由于不能對切削區(qū)進行良好的潤滑和散熱，導致切削區(qū)切削力和切削區(qū)溫度的升高，從而降低了刀具壽命和工件表面質量，甚至會造成工件表面燒傷(特別是磨削加工)。在這樣的學術背景下，Baheti 和Heisel 等學者提出了微量潤滑(MQL)技術，這一技術是在高壓氣體中混入微量的潤滑液，靠高壓氣流(0.4～6.5 MPa)混合霧化后噴入到切削區(qū)內(nèi)，對切削區(qū)進行冷卻潤滑。微量潤滑供給的切削液的量為2～30 mL/h，其用量僅為傳統(tǒng)式澆注潤滑用量的萬分之一左右，大大降低了切削液的用量，既降低了成本也實現(xiàn)了對環(huán)境的保護。微量潤滑液在壓縮空氣帶動下，可以有效突破由于刀具或工件高速旋轉形成的氣障層，進入到切削區(qū)形成有效的潤滑，但是由于流體介質換熱系數(shù)小，所以其冷卻性能并不十分理想。根據(jù)強化換熱理論，固體的換熱系數(shù)遠大于液體和氣體，在冷卻液中添加換熱系數(shù)大的固體粒子，會明顯提高磨削區(qū)的換熱能力，從而獲得較為理想的加工表面。國內(nèi)外的學者對納米粒子射流微量潤滑進行了探索，即在微量潤滑液中添加固態(tài)納米粒子，通過壓縮空氣攜帶進入磨削區(qū)進行潤滑及冷卻。納米粒子射流微量潤滑，無論是在潤滑或散熱方面都能獲得理想的效果，即使是在加工環(huán)境非常惡劣的磨削加工中依然能夠實現(xiàn)有效的潤滑及冷卻［3～5］。雖然納米射流潤滑取得了較為理想的效果，但在加工過程中霧化噴嘴會產(chǎn)生大量的空氣懸浮粒子，若不能對其進行良好的控制，就會對環(huán)境及工人產(chǎn)生極大的危害?；谝陨峡紤]，需要對空氣中的懸浮微粒的粒徑及組成特性進行進一步的討論。

機械加工中產(chǎn)生的空氣懸浮微粒的組成特性是多種多樣的。懸浮微粒的組成成分，主要決定于加工所需原材料和原材料經(jīng)過加工處理后的材料成分。如果加工所形成氣溶膠中的懸浮微粒發(fā)生了化學反應，如氧化反應就稱這種氣溶膠為二次氣溶膠。加工中產(chǎn)生的懸浮粒子粒徑的大小也是多種多樣的。因為微粒粒徑大小不同，其在人體沉積的部位也不同，對健康影響的程度也有所不同，如表1 所示。所以為了得到粒徑大小的具體情況，需要對氣溶膠進行取樣檢測并進行計數(shù)統(tǒng)計。對于微粒的毒理反應微粒的大小是最大的影響因素，而化學組成是第二位的影響因素［6］。

1 微量潤滑加工產(chǎn)生的空氣懸浮微粒

微量潤滑(MQL)技術在保證潤滑性能的同時，大大降低了切削液的使用量，但冷卻性能并不理想。根據(jù)強化換熱理論，筆者進行了納米粒子射流微量潤滑磨削強化換熱機理及砂輪/工件界面摩擦學特性的研究工作。［3-5，7］。納米射流微量潤滑技術，是將微量潤滑液、固態(tài)納米粒子及壓縮空氣混合，通過霧化噴嘴形成三相流，以霧狀的形態(tài)噴入到切削區(qū)，如圖1 所示［7］。三相流以霧狀的形態(tài)噴入磨削區(qū)，根據(jù)噴嘴結構的不同在噴射過程中產(chǎn)生的微粒粒徑也有所不同［8］。

圖1 納米粒子射流微量潤滑示意圖

圖2 磨削工藝中懸浮微粒的產(chǎn)生

當磨削液噴向磨削區(qū)時，會與高速旋轉的工件或刀具發(fā)生激烈碰撞，或在到達磨削區(qū)后由于高溫發(fā)生蒸發(fā)，這就導致了最終懸浮微粒的形成非常復雜，機械、物理及化學等因素相互交織，共同作用［9］。在傳統(tǒng)澆注式潤滑中，形成懸浮微粒的機理有兩種。一種是由于磨削區(qū)的高溫使磨削液氣化，蒸發(fā)到空氣中冷凝形成懸浮微粒。另一種是由于磨削液與高速旋轉的刀具或工件發(fā)生激烈碰撞，直接破碎霧化成更小的懸浮微粒。澆注式潤滑加工時懸浮微粒的形成分為3 個階段:液膜形成階段、液帶形成階段及液滴形成階段。然而干式磨削中由于缺少磨削液的存在，金屬材料在加工時會產(chǎn)生大量的固體粉塵，這些粉塵飄散到空氣中形成了懸浮微粒。在納米射流微量潤滑加工過程中最終懸浮微粒的形成，主要由霧化、蒸發(fā)及飄散3 種作用機理決定，如圖2 所示。霧化作用機理是將機械能轉化為液滴表面能的過程，主要是由于噴射的三相流與高速旋轉的砂輪激烈碰撞，使三相流中的液滴進一步破碎成粒徑更小的霧滴。蒸發(fā)的作用機理是，由于在磨削區(qū)會產(chǎn)生大量的熱，進入到磨削區(qū)的磨削液在高溫的作用下蒸發(fā)到周圍空氣中，在空氣中又冷凝為粒徑細小的液滴。飄散的作用機理是，由于霧化噴嘴噴射的油霧液滴直徑較小，且有納米粒子存在，在壓縮空氣作用下，一些微粒就會吹散到空氣中形成懸浮微粒。在這3 種機理作用下產(chǎn)生的微粒粒徑十分小，這就導致了微粒易于飄散到空氣中，并長期滯留在空氣中。這些細小的粒子懸浮在空氣中，形成危害極大的氣溶膠，對工人健康危害極大。從懸浮微粒形成的作用機理可以看出，使用納米射流微量潤滑時與傳統(tǒng)澆注式潤滑不同的是，會產(chǎn)生一部分漂散的懸浮微粒。

微量潤滑磨削加工，噴嘴出口直徑、壓縮空氣壓強、磨削液流量率及氣液流量比對霧滴微粒粒徑的關系［10］如圖3 所示。

圖3 各參數(shù)對霧化微粒直徑的影響

圖3 表明了噴嘴及工況參數(shù)與噴霧微粒直徑的關系。從圖3 a 和d 中可以看出，噴霧微粒粒徑與噴嘴出口直徑和氣液流量比基本為線性關系。噴霧微粒粒徑大小與噴嘴口徑大小成正比，與氣液流量比大小成反比。壓縮空氣壓強和磨削液流量率與噴霧微粒粒徑雖不是線性關系，但是存在最優(yōu)霧化參數(shù)。從圖3b 和c 可以看出，當壓縮空氣壓強為0.4 MPa，磨削液流量率為5 g/s 時噴霧微粒粒徑最小。

為研究微量潤滑加工所產(chǎn)生的懸浮微粒的粒徑及其分布情況［11］，將硅晶圓安裝在數(shù)控磨床工作臺上，利用微量潤滑噴嘴向硅晶圓噴射微量潤滑液。實驗中選取了不同的壓縮空氣壓力P、噴嘴距離D 及微量潤滑液流速V。采用共焦激光掃描顯微鏡，來獲取噴射出的微量潤滑液形成的小液滴的二維形態(tài)、三維形態(tài)及其所覆蓋的區(qū)域。根據(jù)所獲得三維形態(tài)即HEI 圖像所提供的信息，油霧微粒的體積計算公式為:

式中:ΔVi，j是點Pi，j(Xi，j，Yi，j，Zi，j)處離散的體積，h 是飛沫在點p 處的表面高度，飛沫的邊緣高度計為hzero，飛沫的總體積Vdroplet是離散體積ΔV 的加和，高度h 可以通過HEI 圖像的解碼結果獲得。M 與N 應與HEI圖像所獲得的油霧微粒的大小相一致，一旦飛沫的體積被計算出來，空氣傳播的飛沫球體直徑D 為:

所得到的油霧微粒粒徑是飄散到空氣中的油霧微粒粒徑，并沒有考慮經(jīng)過磨削時霧滴進一步霧化及氣化等過程，但實際在周圍空氣中形成的懸浮微粒的粒徑與其在一個數(shù)量級，可以用來描述懸浮微粒的粒徑。根據(jù)差值法，給出了難以測量三維形態(tài)的極小微粒的粒徑公式:

式中:D2D為硅晶圓上飛沫的二維直徑，D3D為空氣中飛沫的直徑。實驗測量的微粒粒徑分布如表2 所示。

雖然沒有給出加工參數(shù)對懸浮微粒粒徑、運動軌跡及濃度等的影響。但這一探索性實驗，為微量潤滑加工產(chǎn)生懸浮微粒的研究奠定了基礎。

2 結語

納米射流微量潤滑磨削形成的微細液滴，大部分進入磨削區(qū)進行有效潤滑和換熱作用，一小部分則飄散到空氣中，形成懸浮微粒危害人體健康。本文對微量潤滑中霧滴分布進行了初步探索，討論了磨削液流率、壓縮空氣壓力、噴嘴口徑及氣液流量比對微量潤滑產(chǎn)生油霧的影響。使用共焦激光掃描顯微鏡掃描檢測油霧分布，并通過微波轉換法計算油霧體積。

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